（计算机应用技术专业论文）计算机硬件虚拟实验平台的研究与开发.pdf

摘要 虚拟实验室足现代教育系统中一种重要的实验教学资源，为接 受教育的学生提供了一种不受时间、地点、实验设备限制的实验环 境，对实现教学改革，提高教学质量有很好的意义。 本文在分析虚拟实验室发展、现状的基础上，针对大学实验教 学的要求和现有虚拟实验室的不足，提出了“计算机硬件虚拟实验 室”( 简称c h s v l ) 的系统设计方案，进行了具体的研究和开发。 本文实现了计算机硬件虚拟实验室中虚拟实验平台的设计。该 平台以虚拟面包板为中心，搭配虚拟元器件库、虚拟仪器仪表库及 虚拟电路板制作工具，供学生进行计算机硬件实验的设计。文章具 体介绍了虚拟实验平台的用户操作界面和基本功能设计，并且给出 了虚拟实验平台中主要使用的几种类的详细描述。 同时，本文还介绍了如何采用面向对象的建模方式建立虚拟元 件模型，并使用组件进行封装和构造，使得虚拟元件具有良好的独 立性、扩充性、可重用性和可维护性，也利于多平台的运行。在此 基础上，软件设计人员可以自行设计实验用虚拟元器件和虚拟设备， 并将其添加到库中以扩充相关的实验设备，为进行计算机硬件虚拟 实验提供基础。 在虚拟实验平台的运行控制中，本文深入探讨了如何有效解决 虚拟信号在虚拟元器件间传递的问题，并提出了一种新的信号扩散 算法。该算法计算出各器件的信号处理代价，并使用优先级队列调 度器件的启动顺序，从而动态规划信号的扩散次序。时间复杂度理 论分析及对比实验均证明，该算法有效减少了信号在器件中的无效 重复扩散，降低了器件工作函数的启动次数，从而大幅提高了实验 的响应速度并降低了对系统资源的占用。 关键词计算机硬件系统，虚拟实验平台，信号扩散算法 a b s t r a c t t h ev i n u a li a b ( r a t o 秽s y s t e mi s 舭i m p o r t a i l te x p e f i m e mt e a c h m g r e s o u r c eh 1 0 n g 以i 蛳m c e de d u c a t i o n np r o v i d e sal 【i n do fe x p e r i m e n t e n v i r o n m e mf o rt h es t i l d e n t sw h oa c c e p tt i l el 衄哥d i s t a l l c e de d u c a t i o n m a tc a n n o tb er e s t r i c t e db yt i m e ，l o c a t i o no re q u i p m e n t s a c c o r d i n gt 0t h es h o r t a g e sa n dn l ea c t u a l i t i e so fc u r r e mv i i t 叫 l a b o r a t o r y ，t t l ep a p e rp u t sf o 枷ad e s i g np r o j e c to fc o m p u t e r h 绷i 、张r es y s t e mv i m l a li a b o m t o r y ( a b b r c h s v l ) ，w h i c ha 讹m p t st 0 s e tu pae x o t e r i ca 1 1 dc o l l a b o r a t i v el a b o r a t o 叮i nn e 脚o r k t h e i m p o r t a n t 陀s e a r c ho fm e p a p e r i st l e d e s i g n 觚d i m p l e m e n t a t i o no fv i r t u a le x p e r i m e mp l a t f o r mi nc o m p u t e rh 盯d w a r e s y s t e mv i r t u a l l a b o m t o 阱n ep l a t f o n i li sm a i 山s i l i l u l a t i l l gd i g i t a l c i 砌j i td e s i 弘b a s e do ni c sa n dw i r e s nh a sa ni m p o r t a mc o m p o n e m ， w h i c hr e s e m b l e sar e a lb r e 舭莉o m e rc o m p o n e n t si i l c l u d e m s 讯i n l e n t s ， d e v i c e s锄dl a y o u t 白d o l s t h eo b j e c t i v eo fv i m l a l e x p e r i m e n tp i a t f o 】mi st oa s s i s ts t u d e n t si l lp e r f b m l i n gt i l ed i g i t a lc i r c u i t d e s i g n ，s i m u l a t i o 玛d e b u g g i n g ，a n dm a n u t u r e d i 丘砾瓣o fo 吐1 粥 v i n = u a ll a b o r a t o r i e s ，m ep l a t f 0 蛐u s et 1 1 em e t h o d so fa c t u a ls i m u l a t e s t u d e n t sc a nb u i l du pm ed i g i t a lc i r c u i t s e a s yb yu s et r a d i t i 伽吼l b r e a d b o 捌 1 1 l eo b j e c to r i e n t e dm e m o d 、v 勰a p p l i e dt o 雠m o d e i i n go fm e v i r t i l a lc o m p o n e n t sl i h a 巧a 苴l dv i r t u a ld “i c el i b r a 吼w h i c hm a k e st l l e s - m m l a t i o nm o d e lm o r ei n d e 删e n t ，e x p a n s i b l e ，m a 讧t a i m 如ka n d d u p i c a b l e n es o f t w a r ed e s i 印e r sc 舭d e s i 弘t l l ee x p e r i m e n ts o r w a r eb y o n e s e l f a c c o r d i n gt om ec o m p o n e n tt e m p l a t e m 吐l es y s t e m ，w r h i c hc a l lb e i n c r e a s e di i l t ot l l ev i r n l a lc o m p o n e ml i b r a d ri i io r d e rt 0e i l l 鹕em e r e l a t e de x p e r i m e n te q u i p m e n t a tn l es 锄et i m e a “n do fs i g n a ld i 矗证ea l g o r i t h i ni sp r e s e n ：c e df ；” t i l es a | ( eo fo 疗e r s 脚l o r ee f f e c t i v em a n a g e i l l e n to ft 1 1 es i 掣l a i sd i f f u s ei i l t 1 1 ec h s v l t h i sn e wa l g o r i t h mf i g u r e so me a c he l e m e m ss i g n a ld e a l p r i c ea ts e e d t i m e ，a i l di i s e sp r i o r i t yq u e u et 0a s s i g ne l e m e n t s 北l r t ：叩 s e q u e n c ea tm m i m e 1 h e n ，“c a i l sd y n 锄i cp r o 孕a m m i n gs i 印a ld i 觚s e s e q u e n c e t h i sa l g 耐m mi su s e dt 0 硎u c es i 印a l si n e 丘k t l l a l 锄d r e i t e r a t i v ed i m l s eb e t w e e ne l e m e n t s b yu s et h i sa l g o r i m m ，w ec a n r e d u c et h ee x e c u t en u m b e r so f w o km n c t i o n b o t hm et h e o r e t i ca 1 1 a l y s e s o fa l g o m m i ct i m ec o m p l e x i 够a n d 龇c o n t r a s te x p e r i m e n t sp r o v et 1 1 a t t l l ea l g o r i t h mc a l lb 血培h i 曲r e s p o n s es p e e d 锄dl o ws y s t e mr e s o u r c e s o c c u p a t i o n k e yw o r d sc o m p u t e rh a r d w a r es y s t e m ，v i m l a le x p e r i m e n t s p l a t f o 衄，s i g i l a ld i f m s ea l g o f i t l r i l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：划日期：兰蚌白日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：堑趟铷签趣吼2 叠月垒日 颂士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 用现代计算机技术研究虚拟实验室及其在教学中的应用，是近几年来国内外 实验教学和远程教学研究的热点。但现有用于教学的虚拟实验室系统，对实验原 型、实验内容及实验的展示研究较多，却忽略了实验方式、学生实验过程、实验 结果的反馈以及实验成绩管理的问题。因而，研究培养学生动手能力和创新能力 的远程虚拟实验室系统成为我们的课题。 1 1 虚拟实验室的概念 虚拟实验室( n l l a l l a b o m t o 劝也称为合作实验室( c o l l a b o r a l o r y ) ，这个概念 最早是在1 9 8 9 年由美国的u n i v 朗西t ) r o f 、，i r g i i l i a 的w i l l i a m w b l f 提出，它用来描 述一个网络化的实验室环境，致力于构筑一个综合不同工具和技术网络化的科学 研究集成环境。在这个环境里，科学家们可以非常有效地利用地理上分布的各种 资源( 如数据，信息，设备) 来从事科研活动。w b l f 形象地把虚拟实验室称为“无 墙的研究中心”借用虚拟实验室，科研人员不管其地理位置分布如何，都能 共同从事研究一一与同事们相互交流，使用仪器，共享数据和资源，共同撰写研 究报告等。虚拟实验室的所有技术支持都旨在增强科学家、仪器设备和数据等资 源之间的交互交融，以提高科研效率，降低科研成本。所有这些活动都不必面对 恧的进行，而是在高速，分布式计算机网络的支持下，通过虚拟实验室环境来实 现，因此，虚拟实验室实际上是一种分布式计算机系统。他定义了虚拟实验室所 能实现的基本功能： ( 1 ) 数据共享：在不同地点研究同一内容课题的研究人员能够迅速、方便的 查找所需要的数据库资料，及时了解最新科研动态； ( 2 ) 软件共享：在不同地点的研究人员能够矿放据分析、图表显示、模型 构造的软件工具； ( 3 ) 远程仪器控制：在不同地点的研究人员能够控制、操作一些位于远程或 人类难以到达的地方( 如火山、海底和太空等) 的仪器设备。 ( 4 ) 远程学术交流：不同地点的学者能方便的进行跨越时空的实时交流。 1 9 9 9 年l o 月1 2 日，联合国教科文组织( u n e s c 0 ) 将虚拟实验室定义为：依 托合适的信息通讯技术，在科研或其它以创造新成果为目标的活动中的一种超越 空间限制的联合体。 硕p 学位论文第一章绪论 由于虚拟实验室技术和多媒体技术的交互性和逼真性特点，其在改革传统教 学方式，强化教学效果方面的优越性已越来越受到人们的重视，是促进教育方式、 方法和科学实验进步的重要手段。开发虚拟教学软件己成为面向2 1 世纪高等教 育改革的一项墓要内容。在网络上建立数字化教室、电子黑板、虚拟实验室，已 成为教学活动中必不可少的部分【1 郐4 5 7 】。 1 2 虚拟实验室的研究意义 对于理工学科体系的一些实践性很强的课程，实验教学环节对学好这些课程 是至关重要的。学生通过足够的验证性实验和一定数量的综合性实验，才能真正 理解和掌握该学科的理论知识，获得一定的综合测试技能和实践能力，并初步具 有处理实际测试工作的能力。缺少了实验动手的机会，课程的教学效果将大打折 扣。一个设备良好、管理先进的实验室足学习者快速、深刻地获取各种知识和技 能的重要场所。在实施素质教育的今天，创新人才的培养，迫切要求我们在教学 中加强实验教学。随着虚拟实验室技术和多媒体计算机技术的高速发展，将此技 术用于实验教学己成为现实，为实验的发展带来了新的契机，同时也为高等教育 的现代化带来了新的机遇。虚拟实验室能及时满足学生对实验的需求，增强并扩 展了实验教学的功能，提高了教学效率，优化了教学过程，加强了实验技能培养， 降低实验教学对客观物质条件的依赖，突破了传统教学手段，为学生构建了一种 全新的实验教学模式，也为实现开放式实验教学提供了强有力的支持，在教学方 面表现出越来越大的潜力i ”。 虚拟实验室与虚拟实验技术可以说是网络远程教育领域应用信息技术的一 种创新：它允许人们通过网络访问和使用自己没有的设备资源，使得处于不同地 理位置的学习者可以同时对一个实验项目进行实验操作，可以接触最新的仪器。 只要拥有一台多媒体微机和操作控制面板、开关、按钮等元件，即可完成大量实 验教学任务。利用虚拟现实的理论和技术，开发具有虚拟环境的虚拟实验教学， 为学习者提供一个多功能的学习环境。学生不但可以学习课程的基本理论知识和 方法，而且可以身临其境地进行实验操作。虚拟实验教学可以集文字，图形，图 簇二维动画和声音于一体，利用人工智能和超级链接的能力，可以为学习者提供 一个人机交互的，界面友好的，边学边做的斤放式的学习环境。归纳起来，虚拟 实验室对实验教学具有多方面的促进作用嘲： ( 1 ) 可以精确地演示某些特征、过程等，以支持理论学习； ( 2 ) 允许在很近的地方考察一个对象，提供从物体的内部进行观察的机会， 培养观察分析、计划组织和l 口j 趑解决能力； 颂 学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 允许学习者根据自己的节奏来完成实验体验； ( 4 ) 学习者可以通过实际使用虚拟设备获得对新技术的体验，掌握相关技术 和设备的知识，拓宽知识面，培养和锻炼了学生独立思考问题的能力： ( 5 ) 允许多个学生共同合作完成一项实验，增进了学生之日j 的合作。 ( 6 ) 提供很好的交互性。 1 3 虚拟实验室的研究现状 虚拟实验室的研究，国际始于9 0 年代，国外己有许多用于教育系统i l o t l n 。 代表性的成果有：美国f l o 咖a 大学开发出用于公众教育的、低成本的网络环境 下e x m o 咒n e t ，学生可以在提问下解决各种问题，多个学生在共享环境下进行讨 论。 美国珊i n o i s 大学的n m r s p e 系统。通过h t 锄e t ，研究人员在任何地方都 能使用n l i n o i s 大学的仪器。如n m 王u ( 核磁共振仪) 的使用，只要向该大学递 交了一个样品之后，经过授权的研究人员就可以与服务器联机，服务器将显示出 一张表示仪器设置的表格和功能清单，通过点击屏幕上的按钮就可以进行实验， 生成的图像将被传回到研究人员的计算机屏幕上。 虚拟工程，科学实验系统，由j 0 h 璐h o p l ( i 1 1 s 大学化学工程系为配合课程“w h a t i s 嘞e e r i n 妒”的教学而建立的，实验的目的是引导学生尽快地掌握实验、问 题求解、数据采集和科学分析的方法。该实验系统尚在建设过程中，目前能够提 供如下实验项目：逻辑电路实验、石油勘探实验、机器人手臂控制实验，声音传 播实验、熟传导实验、概率分布实验等。 v e t l ( v i r n 墙le n v i m 啪e m 融h n o l o g yl a b o r a t i 口r y ，简称v e t l ) 实验室， 由h o u s n 呲大学和n a s a ，j o h r i s o n 航天中心联合建立。该实验室主要致力于虚拟 现实技术在教育、训练和科学工程数据可视化领域的研究和开发工作，目前已 经取得了多项研究成果，其中包括：( 1 ) 开发了一组功能强大的软件工具，普通 的非专业程序设计人员即可利用这些工具来创建多感知的、连接到特定硬件上的 三维环境；( 2 ) 研究虚拟现实技术在科学教育领域的应用。该项研究的主要目标 是创建一个具有高度交互性的智能虚拟环境，目前有海洋学虚拟实验室、天体物 理学虚拟实验室、分子生物学虚拟实验室、核科学领域虚拟实验室。 我国已经初步开展了虚拟实验室方面的研究工作，并出现实现实验性质的教 学单元1 1 2 1 。清华大学、北京大学、上海交通大学、华中科技大学等高校分别建立 了电子教室，其中有少数电子教室提供了有限的虚拟实验功能，如：清华大学的 三维气象系统、华中科技大学的现代工程测试虚拟实验室和虚拟仪器实验室，都 3 - 硕 学位论文 第一章绪论 取得了一定的效果，但这些虚拟实验室的研究开发尚处于较初级的阶段，其交互 性、适应性不强，仍需要进行大量的研究与开发工作才能实现功能强大的虚拟实 验室。 1 4 本课题的研究背景 传统的用于教学的计算机硬件实验室主要配备有实验台、种类繁多的集成电 路芯片、电线、探测棒、信号发生器、数字示波器、七段显示器l e d 、开关等 设备和工具。当学生从事实验时，将集成电路芯片插在实验台的匝f 包板上，集成 电路芯片、测试设备等用电线连接起来。当电路设计完成后，便可以将电路的脉 冲信号的接入端接至信号发生器，并调整旋钮来获得所需要脉冲信号；或者输入 微型机机器指令程序，直接把该实验用微型机系统与显示器相接进行系统性的实 验，通过l e d 七段显示器观察电路的动作情形，或者通过数字示波器观察所产 生波形的正确性。 上述的传统实验方式下列几项的缺点： ( 1 ) 仪器设备费用高，因此学生必须在设备完善的实验室中从事整个实验， 难以利用课余时日j 进行。 ( 2 ) 集成电路芯片i c 元件取得不易，而且零件的好坏也必须借助i c 测试器 来检查，无法以肉眼辨识故障与否。因此当电路有问题时，很难判断是接线问题 或是i c 组件的问题，造成使用者的学习障碍。 ( 3 ) 实验规模较大时间较长，因此具有一定连贯性，不同的学生建立不同的 实验对象且具有不同的实验进程，实验对象需要专人专用。 ( 4 ) 实验电路是用电线和插座连接的，容易发生短路或接触不良等状况，因 而造成实验上的困扰。 ( 5 ) 实验调试时，各逻辑单元时序关系严格且复杂，除错是一件非常不易的 事情。一般都是用数字示波器进行侦错，通常学生没有这些的设备，大多数采用 重接方式处理。 ( 6 ) 突发式问题，如接电路时不小心造成短路而不知，或是电源接错，造成 元件损坏甚至爆裂等。 纵观虚拟实验室的解决方法和用虚拟实验室来进行教学的情况，它们有的是 基于电路与电子技术的虚拟软件，需要长时日j 的练习才能熟能生巧【1 3 1 4 1 5 1 6 ，17 l ； 有些虚拟实验室是以文字及少许的图案为接口，且采用被动虚拟式的学习，即学 习者在此环境下类似背诵答案，虚拟画面出现图文要求时，学习者即按下几个控 制键来反应，缺乏随机应变能力及临场感，一旦在实际操作时，若出现错误时便 赖十学位论文第一章绪论 不知所措i l 。 1 9 l 。而且它们不具有开放性，只能在这些软件自身的环境进行，无法 实现虚拟技术与多媒体技术的有机结合，较难用于计算机硬件及各种接口实验， 因此近年来虚拟实验室的研究与开发已经朝着以虚拟环境( v i m 】a le n v i r o r 蚰e “t ) 为基础，提供给学习者最接近真实情况学习环境的方向发展【撇“。 计算机硬件实验的特点是：实验电路连线复杂、涉及的元器件多、实验的操 作过程繁杂、计算机硬件实验多与接口一起操作等。针对这些特点，有必要研制 一套结合虚拟技术和网络技术的计算机硬件实验教学系统，模拟实际实验环境和 内容，构建“计算机硬件虚拟实验室”，实现以“软”代“硬”，使计算机硬件 课程的实验可以在一般微型机上完成圈。 i 5 本课题的研究方向 本课题的主要目标是将远程教育的概念引入到实验教学之中，结合强大的网 络功能，使得以虚拟现实技术为基础的网络虚拟实验室资源以及虚拟实验室仪器 设备等资源的共享成为可能。它允许人们通过网络访问和使用自己没有的设备资 源，使得处于不同地理位置的学习者可以同时对一个实验项目进行实验操作，实 现了用户信息的协同共享，同时可以及时的接触到最新的仪器。 针对以上的内容，本文研究的工作主要内容是在大量查阅国内外的相关资 料，分析已有的远程教学中虚拟实验室的不足，并针对这些不足，提出了构建计 算机硬件虚拟实验室c h s v l ( c o m p 蝴h a r d 嘲s y s 自咖m l a ll a b o r a t o r y ) 系 统的设计思想、总体结构、系统功能以及虚拟试验平台的设计与实现方案。论文 重点研究了系统虚拟元件库的设计与实现。系统采用建立虚拟元器件的数据模型 来构造虚拟元器件数据库。虚拟元器件的模型通过抽象虚拟元器件的物理特征与 外观特征，以数据模型的形式来描述虚拟元器件，使虚拟元器件的建立可以分类 完成。系统采用面向对象的虚拟元件模型，使用组件技术封装实验仪器设备。另 一方面，为了使虚拟试验平台具有较好的运行效率与交互性，本文着重对系统信 号扩散使用的算法进行了研究。 目前有关计算机硬件虚拟实验室的研究主要涉及三个方面的内容：虚拟、互 动和适应性c h s v l 就是提供集虚拟( v i 巾l a i ) 、互动( i l l t e m c t i v c ) 、适应性 ( f l c x i b l e ) 三者于一体的计算机硬件实验环境a 2 5 抽2 7 】。 ( 1 ) 虚拟：在计算机系统中采用虚拟环境的设计方式来构造虚拟实验室，使 学习者在虚拟实验室中如临其境，融入整个计算机硬件实验教学课程中，可以取 得在真实环境中所取得的学习或训练效果。 、 c h s v l 直接采用与集成电路芯片外观相仿的虚拟元器件及与计算机硬件实 硕t 学位论史第一章绪论 验室所使用的设备外观相似的虚拟设备，这样既可以让使用者设计计算机硬件结 构，利用各种“虚拟芯片”任意搭接电路，也可以实时的虚拟验证刚刚所设计的 电路，实时得到虚拟结果，减少真正从事实验的困难度。 ( 2 ) 互动：虚拟实验室是一个创造和引导模拟实验的交互环境，即实验场所， 应提供高度互动能力，使学生对虚拟对象进行操作与控制练习。它由实验所依赖 的虚拟程序、实验、工具和参考资料组成。用户可以通过增加新的实验元件与实 验设备、建立新的实验工具来扩充实验室。 c h s v l 需要解决以往虚拟实验室系统在交互性、扩充性和软件重用性方面 所存在的不足，如用户不能定制实验，无法将自己开发的实验设备加入实验室中， 从而扩充实验室功能，较难重用已有的功能模块。c h s v l 利用面向对象技术和 组件技术开发虚拟设备和虚拟元器件，建立虚拟元件数据库和虚拟设备数据库， 设立常用实验单元库，设计与实现交互性强的虚拟实验室平台，可视化地定制实 验者的实验对象，提高开发效率，实现软件重用。 ( 3 ) 适应性：虚拟实验室应让使用者在最基本的计算机软硬件条件下，也可 进行虚拟实验。 虚拟实验室应具有充分的适应性，c h s v l 必须与网络技术相结合，让使用 者无论何时何地都可通过网络浏览器w 曲b r o w s e r 进入虚拟实验室，即使在最基 本的计算机软硬件条件下也可进行实验。 计算机硬件实验涉及计算机结构设计和电路连线，电路的连接成为计算机硬 件实验的重要环节，为使c h s v l 虚拟实验室操作界面更为真实，系统模仿了真 实的计算机硬件实验室的环境。 1 6 论文结构 本论文共分为六章。 第一章为绪论。简要介绍虚拟实验室特点、国内外研究发展的状况、对高校 实验教学的促进作用、计算机硬件虚拟实验室c h s v l 的特点，叙述了虚拟计算 机硬件实验室设计的背景、依据、技术的可行性，描述了虚拟试验平台的基本特 点和论文研究的内容。 第二章介绍计算机硬件虚拟实验室总体设计。介绍了计算机硬件虚拟实验室 c h s v l 的系统结构、系统组成及各组成部分的功能、虚拟实验的运行模型。 第三章介绍了虚拟元器件与虚拟设备的设计。说明了如何使用组件技术构造 用户自己的虚拟元器件与虚拟设备。 第四章介绍了计算机硬件虚拟实验平台的设计与实现。介绍了虚拟实验平台 硕十学位论文 第一章绪论 的用户操作界面，详细说明了虚拟实验平台中主要使用的几种类的描述。 第五章介绍了计算机硬件虚拟实验平台的运行控制。详细说明了实验系统的 信号传递、电路运行控制方式，重点介绍了信号控制算法。 第六章总结了本文研究的内容、主要工作，以及进一步的研究方向。 1 7 本章小结 本章给出了虚拟实验室的概念以及研究虚拟实验室的意义。文中就目i i i 国内 外虚拟实验室的研究侧重点进行了分析，概述了国内外虚拟实验室的研究现状， 分析了本课题的研究背景，给出了课题的研究方向与内容。 硕 学位论文 第：章计算机睫件虚拟甲台总体设计 第二章计算机硬件虚拟实验室总体设计 计算机硬件虚拟实验室c h s v l 由数据库管理模块( 包括虚拟元器件库、虚 拟设备数据库、虚拟实验单元库) 、虚拟实验平台、系统管理模块三部分构成。 本章提出了计算机硬件虚拟实验室的总体设计方案，介绍了系统实现的功能。 2 1 系统设计的基本思想 计算机硬件虚拟实验室系统设计的基本出发点在于：在计算机系统中采用虚 拟现实技术，按照实验教学的基本要求，建立虚拟实验室的各种工程环境，实验 者可以像在真实的环境中一样，运用各种虚拟实验仪器仪表和设备，对建立起来 的实验模型进行实时仿真，完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果 等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。与传统的实验教学相比，其内容更 加丰富、更广括，还可以充分的利用互联网资源，同时学生可以不受时间和地点 的限制，利用计算机和网络随时进行实验操作，根据自己的节奏来组织和完成实 验，根据自己的设计模式来完成实验。实现了教学资源共享，节约了设备的投入。 而且相对于传统实验，需要的成本要低的多。 结合以上虚拟实验室系统设计的思想，下面提出了计算机硬件虚拟实验室系 统的基本设计思想： ( 1 ) 系统基于i l l o e r n e t 开发，采用分布式c s 或b s 应用模型，通过t c m p 协议实现客户服务器的通信。后台数据库采用m ss q ls e r v e r2 0 0 0 开发，采用 统一的数据库访问技术o d b c ，整个系统的编程实现采用面向对象、易于扩展的 v b 语言实现。 ( 2 ) 以组件封装的方式提供不同课程的实验设备，实验室动态创建组件对象， 设雹对象属性，调用对象方法，响应对象事件，提供让组件相互通信的机制，让 用户用组件组合的方式完成实验。 ( 3 ) 以单机操作虚拟实验室为基础，引入协同技术，提供一个支持多用户的 协同实验环境。采用点对点和多点通信的方式实现信息的协同共享。采用并发处 理机制避免多用户间对共享资源访问可能产生的冲突。 硕p 学位论文第二章计算机碗件虚拟甲台总体设计 2 2 计算机硬件虚拟实验室c h s v l 系统结构 计算机硬件虚拟实验室c h s v l 主要提供设计计算机硬件电路和虚拟运行所 需的虚拟环境，包括所需要的元器件和设备。系统总体结构如图2 1 所示，主要 分成两大部分：客户端和服务器端。客户端主要是虚拟实验的运行环境，包括有 虚拟实验平台；服务器端主要足数据库服务器与系统管理服务器。 图2 - l 计算机硬件虚拟实验室系统构成 2 1 1c h s v l 数据库及管理维护 c h s v l 系统中服务器端的数据库服务器所设置的数据库包括虚拟元器件 库、虚拟设备库、系统文件库三部分。 1 、虚拟元器件库及管理 虚拟元器件库提供计算机硬件虚拟实验所需的虚拟元器件，如：虚拟微型计 算机c p u 芯片，虚拟存贮器芯片、虚拟r 儿集成电路芯片、基本电路器件等， 是c h s v l 系统的基本构成要素。虚拟元器件数据库包含的虚拟元器件的类型很 硕p 学位论史第二章计算机礁件虚拟平台总体设计 多，如图2 2 所示，每种类型的虚拟集成芯片的数目在虚拟实验过程中可以无限 量的供应。 图2 - 2 虚拟实验宣i c 种类结构图 虚拟元器件库的管理与维护由数据库管理模块负责，在它的控制下可进行虚 拟元器件的添加、删除与更新等操作。 虚拟元器件的具体设计实现将会在第三章中进行详细介绍。 2 、虚拟设备库及管理 虚拟设备数据库提供虚拟实验过程中所需的虚拟设备，如：虚拟电源、虚拟 信号发生器、逻辑探测棒、虚拟电路连接与显示用具、虚拟数字示波器等实验时 必备的仪器设备。虚拟电源主要提供直流电源供集成电路芯片使用；信号发生器 用来产生脉冲信号供时序逻辑电路使用；逻辑探测棒是电路查错的工具，在显示 高电平时绿灯亮，低电平时红灯亮，浮接时不亮；数字示波器同时跟踪监视2 个 通路的数字信号，是埋想的电路除错工具和信号显示设备；显示器有七段显示器 由由 颂十学位论文 第一二章计算机碗件虚拟平台总体设计 或l e d ；电路连接可使用多种颜色的电线。 虚拟设备库的管理与维护由数据库管理模块负责，在它的控制下可进行虚拟 设备的添加、删除与更新等操作。 虚拟设备的具体设计实现将会在第三章中进行详细介绍。 3 、系统文件库及管理 在本系统中主要设计了存放所有课程设计实验类别信息的实验类别表( 类别 名称及类别号等内容) 、存放各实验信息( 题号、题目名称、实验类别、实验内 容及实验范例路径等) 的实验信息表、存放学生的相关信息( 学号或用户名、姓 名、性别、出生日期、联系电话、联系地址、班级名称、电子邮件地址及登录密 码等) 的学生信息表、存放学生作业成绩、教师对学生作业的评语( 学号或用户 名、题号、成绩及评语等) 的学生成绩表、存放学生提出的疑难问题及老师对疑 难问题的解答信息( 学号或用户名、题号、问题名称、提问时阃、问题详细内容 及教师对问题的解答等) 的疑难问答信息表、存放有关库表的备份信息( 表名、 上次备份时间及库表功能说明等) 韵数据库备份信息表。 系统文件库管理提供给教师管理课程设计实验信息、管理学生信息、批改学 生上传的作业( 给出成绩及评语) 、回答学生提出的问题等功能。 ( 1 ) 实验类别管理模块：提供给教师进行查询、删除及更改现存的实验类别， 还可以对实验类别的内容进行添加处理。 ( 2 ) 实验信息管理模块：提供给教师添加、删除、更改及查询课程设计及实 验题目，并且可以查看相应实验的范例。另外还为教师( 或系统管理员) 提供了 对大量的实验信息库表的内容进行导入和导出功能。 ( 3 ) 学生信息管理模块：提供给教师添加、删除、更改及查询学生信息，而 且还可以按班级查询学生信息。 ( 4 ) 学生作业管理模块：提供给教师查阅学生上传的课程设计、实验结果及 实验报告，对学生的课设及实验的状况给出相应的成绩和评语。 ( 5 ) 学生成绩管理模块：提供给教师对学生的成绩进行统计以及打印学生的 成绩单。 ( 6 ) 问题解答管理模块：提供给教师查询某个实验是否有学生提出问题，并 且对学生的问题给出相应的解答。 ( 7 ) 系统数据维护模块；提供给系统管理员对整个数据库进行备份及恢复， 而且还可以对某个库表的信息进行导入和导出。 颂t 学位论文第：章计算机碰件虚拟平台总体设计 2 1 2c h s v l 虚拟实验平台 c h s v l 虚拟实验平台工作在客户端。它使用虚拟面包板、虚拟设备、虚拟 元器件，可完成以下功能：虚拟元器件编辑布局、电路连线设计、实验运行控制、 电路查错、虚拟实验项目存储等功能。 ( 1 ) 虚拟元器件编辑布局：布局是指虚拟元器件在虚拟实验操作平台上的位 置安排方案；编辑足指虚拟实验使用的元器件的插入、删除、属性修改等操作。 ( 2 ) 电路连线设计：是对计算机硬件电路芯片进行电路设计，并按电路原理 图连接虚拟元器件。在电路设计过程中，设计人员能够可视化的对电路图进行编 辑，电路图的设计也不是“画”出来的，而是采用类似控件的方法，直接从工具 条上将基本设计元素拖入图板，在经过适当的调整就能够完成电路设计。 ( 3 ) 实验运行控制：在使用者完成实验的电路设计与编辑( 包括虚拟元器件 编辑布局和电路连线设计) 后，接上电源，给予各类输入信号，在虚拟实验平台 的控制下进行实验模拟运行。 ( 4 ) 电路查错：本系统具备侦测人为疏失的功能。在实验模拟运行前，系统 会自动侦测电路是否有人为的疏失，例如不小心将v c c 与g n d 短路等错误。 另外，系统还配备了虚拟探测棒、虚拟数字示波器等工具协助用户排除电路设计 错误。 ( 5 ) 实验项目存储操作：是对正在设计或己设计好的虚拟计算机硬件电路、 相关虚拟元器件的属性以及进行当前状态的存贮操作，目的是为方便使用者按照 自己的计划进行虚拟实验，为使用者提供一个具有连贯性的实验操作手段，作为 以后相关类型的前期电路，达到渐进学习的目的。 2 1 3 系统管理模块 c h s v l 系统中服务器端的系统管理模块用于用户认证管理、组件注册管理、 实验提交管理、用户协作控制。 ( 1 ) 用户认证管理：系统用户通过登录服务器进行认证注册。 ( 2 ) 组件注册管理：从数据库服务器下载实验所需元器件、设备到客户端。 ( 3 ) 实验提交管理：实验完成后可向服务器保存实验进度，提交实验报告。 ( 4 ) 用户协作控制：系统为用户提供两个协同操作的工具，一个是同步交流 工具实时讨论组，另一个是异步交流工具留言板。 硕卜学位论文第章计算机硬件虚拟平台总体设计 2 3 c h s v l 的系统开发方案 支持计算机硬件虚拟实验系统的框架同时可基于c s 、b s 体系结构，这两 种模式各有优势。c ，s 模式安全性更好，在客户端可以实现丰富多彩的交互方式， 而且还可以分担服务器的部分计算工作。对于计算机硬件虚拟实验室，要完成用 户定制实验、进行实验的操作、虚拟各种微型计算机的运行等都需要本地机参与 工作以提高系统的工作效率；b ，s 模式则实现了“o ”客户端，通用性更好，降 低软件使用成本。用户可根据实际需要选择，一般校园网内使用c s 模式，远程 教学时使用b s 模式。 系统的每一部分的开发都有多种平台和环境可供选择，这给系统的实现带来 很大的灵活性，而且有利于系统的维护与升级。 在实践中，我们使用了m i c m f i 的产品作为开发平台。具体开发工具是： 浏览器：m 6 o 操作系统：客户端w i n d o w s9 8 愀0 0 0 x p ，服务器均为w i n d o w s2 0 0 0 s e r 、，e r 。 数据库：m ss o ls e n ，e f 2 0 0 0 。 控件全部使用v i 飘1 a lb 舔i c6 o 开发。 2 4系统功能 c h s v l 可以让使用者通过网络进入虚拟实验室，根据实验教学大纲所要求 的内容进行计算机硬件实验。系统的主要功能有： 1 将计算机硬件电路设计、虚拟合为一体 c h s v l 具有较好的人机接口，协助使用者完成计算机硬件电路设计，提供 一些计算机硬件电路典型实验实例，配备虚拟探测棒、虚拟数字示波器，单步执 行方式来协助除错操作，并使实验内容存贮成文件方便使用者进行连贯性实验。 2 自动捕获的能力 在进行编辑工作时，为了让使用者更容易完成接线作业，设置了鼠标捕获功 能，即若选择某一i c 芯片或某一连线、将鼠标移动到所需位置附近时，系统将 自动对准位置，将集成芯片或连线置于正确的地址。 3 复原与清除功能 系统设置了复原和清除的功能，前者可以让实验在产生错误后回复到前一个 状态，后者可以将实验布局，工作区上的所有组件消除，若要删除单一组件，则 将鼠标移到组件上面，选择编辑菜单中的删除操作。 硕 学位论艾 第二章计算机弛件虚拟平台总体设计 4 显示i c 内部电路减少使用苔查阅l c 手册 一般人在编辑电路时，都会使用一本i c 手册用来查阅自己所用到的i c 资料。 本系统为了使用上的方便，便将这一项的功能加入到系统中。只要使用者将鼠标 移到该i c 的上方，右击该片i c 即可出现该i c 的电路图与属性数据，而且其引 脚图形与位置与i c 芯片的外观图形相对应，使用耆只要根据显示的资料，直接 进行配线操作。 5 自动电路侦错能力 本系统具备侦测人为疏失的功能，当编辑电路完成后，合上电源开关进行虚 拟，系统就会开始侦测你所设计的电路，是否有人为的疏失。 6 信号发生器 系统提供给使用者选择要使用的脉冲频率，脉冲的产生方式可分成连续和点 动两种模式，点动模式可由使用者使用鼠标在“脉冲”按钮处点击一下，脉冲发 生器便会送出一个脉冲，此模式主要提供给系统虚拟一个单步执行方式，使用者 可以以此观察电路的动作原理，亦可当成重要的除错工具。连续模式有多种频率 的脉冲信号可供选择，最长可达到每隔一秒产生一个脉冲信号。 2 5 本章小结 本章根据远程教学中虚拟实验室设计的基本要求，提出了计算机硬件虚拟实 验室c h s v l 的设计思想、系统结构与系统组成，并简要介绍了系统各组成部分 的基本功能。 硕仁学位论文 第二三章虚拟，【器件0 虚拟设备的i 殳计 第三章虚拟元器件与虚拟设备的设计 虚拟元器件库和虚拟设备库是c h s v l 系统中的重要组成部分，也是整个虚 拟实验室系统的设计难点。一个好的虚拟元器件虚拟设备模型库应该具备有以 下特征： ( 1 ) 独立性，即虚拟元器件，虚拟设备与外界的交互只通过简单清晰的接口 来实现，其内部对外界是不可见的。 ( 2 ) 可扩展性与可重用性，即虚拟元器件虚拟设备库中的模型能动态添加， 新模型的构建可充分利用已有的模型。 ( 3 ) 可维护性，即虚拟元器件虚拟设备库中已有的模型可以动态修改。 本章对元件的特性进行抽象，运用面向对象的方法建立模型，并采用组件技 术对其进行构建和封装，从而达到虚拟元件的可重用，使得虚拟元件的研究开发 变得比较简单，易于扩充。 3 1 虚拟元器件与虚拟设备的设计模型 在计算机硬件虚拟实验室中，必需配备虚拟元器件与虚拟设备，用来代替物 理存在的具体物理器件，这种虚拟模型应能正确地反映器件的物理特性和电气特 性，并且便于在计算机上进行。虚拟实验以虚拟元器件与虚拟设备为基本单元， 虚拟元器件与虚拟设备通过使用统一模型来构造，并存放在数据库中供用户使 用。虚拟元器件与虚拟设备模型的建立直接影响着整个实验过程速度和准确性。 虚拟元器件库和虚拟设备库主要由计算机硬件实验中所需的各种元器件、设 备模型组成，如各类芯片、示波器、显示设备等。它们就是组成这些数据库的对 象，所有的这些对象各不相同，但又相互联系。在进行模型设计时，要对这些对 象加以分类、组织，找出它们的共同点并进行抽象，然后再对每个对象进行具体 化。总体上采用自上而下逐步求精的方法。首先考虑虚拟元器件库和虚拟设备库 的整体模型；然后逐层分解考虑抽象动作的分解和精化，采用这种设计方法可以 简化虚拟元器件库和虚拟设备库的结构。 3 1 1 虚拟元器件和虚拟设备模型的定义 从功能仿真的角度来分析，将虚拟元器件看成是一个黑箱，它的模型可以用 图3 1 描述。 1 5 - 硕 学位论文 第t 巷虚拟几器件j 虚拟设备的设计 手f 篡荔 图3 1 虚扭元件模型 0 i 0 2 o n 任意一个虚拟元件都可以用表达式取俨，s ，c ，刃来定义。其中： ( 1 ) p = 八d ，是虚拟元件的端口； ，= 胁，易，列是虚拟元件的输入端口； d = 徊f ，仍，o 彬是虚拟元件的输出端口。 ( 2 ) 对于任意一个端口b ，有p f = 口，玎尸j i f e 彤，其中，a 为端口属性；y 为端口的值；只为与端口，f 相连接的其它虚拟元件的端口序列。 ( 3 ) s 是虚拟元件的属性描述。对于任意一个属性s ，有s = ，s n 锄e ，s k m d ， s v a l u e ，其中，s n 锄e 为属性名称，s 硒n d 为属性种类，s v m u e 为属性值。 ( 4 ) c 是虚拟元件的行为描述。对于任意一个行为c f ，有g = k = n a r n c ， c s 锄d e r ，c r c 优i v c e r ，c v a l i l c ，c p 蝴 ，其中，c n